光电技术_05热辐射探测器件.ppt

第五章 热辐射探测器件 热辐射探测器件：利用热效应制成的探测器。 热效应：物体吸收辐射使其温度发生变化，从而引起物体的物理、机械等性能相应变化的现象。 优点：光谱响应宽，室温下工作（大部分），不需要制冷。 缺点：探测率低，时间响应速度慢 分类：测辐射热计 热释电探测器 测辐射热电偶和热电堆 工作原理：当物体吸收辐射后，温度便会升高，伴随产生某种属性的变化，如体积膨胀、电阻率变化或产生电流、电动势等，通过测量这些性能参数的变化，计算获得辐射的大小。 热探测器的性能计算： a）根据系统的热学特性确定由入射辐射所引起的温度变化。 b）利用温度变化确定其性能，此性能可以通过适当的信号变化来反映。 Cθ－热容（J/K）； G－热导(W/K)；α－吸收率； φe－入射辐射通量，这里假定入射辐射周期地变化 初始条件： 2. 热探测器的共性分析 （1）w与热力学参量对探测器性能的影响 低频： 高频： 故热辐射探测器适用于光辐射为低频调制的场 合，此时可以获得较强的探测信号。 响应速度 大多数热辐射探测器的光敏面做的比较小巧 5.2 热敏电阻与热电堆探测器 5.2.1 热敏电阻 （热辐射计） 2. 热敏电阻的原理、结构及材料 3. 热敏电阻的参数 （2）热敏电阻阻值变化量 （4）冷阻与热阻 （5）灵敏度（响应率） （6）最小可探测功率 5.2.2 热电偶探测器 1.热电偶的工作原理 2. 热电偶的基本特性参数 （2）响应时间 5.2.3 热电堆探测器 5.3 热释电器件 5.3.1 热释电器件的基本工作原理 2. 热释电器件的工作原理 5.3.2 热释电器件的灵敏度 5.3.3 热释电器件的噪声 2. 放大器噪声 3. 温度噪声 4 响应时间 5.3.4 热释电器件的类型 2. 铌酸锶钡 (SBN) 热释电器件 3. 钽酸锂（LiTaO3） 4. 压电陶瓷热释电器件 5. 聚合物热释电器件 5.3.5 典型热释电器件 2. 热电偶的基本特性参数 5.4 热探测器概述 式中，为热电堆中热电偶的对数（或PN结的个数）。S为热电偶的灵敏度。 热电堆的响应时间常数为 式中，为热电堆的热容量，为热电堆的热阻抗。 从式(5-32)和式（5-33）可以看出，要想使高速化和提高灵敏度两者并存，就要在不改变的情况下减小热容。热阻抗由导热通路长和热电堆以及膜片的剖面面积比决定。 在相同的电信号检测条件下，热电堆能检测到的最小温差是单个热电偶的1/n。因此，热电堆对温度的分辨率能力大大增强。 3.主要特点 内阻： 可以达几十千欧，较大，易于与放大器的阻抗匹配 温差电动势： 测量误差： 相对误差： 噪声：内阻很大，主要是热噪声，温度噪声的影响很小 4.应用 光谱、光度测量仪中 热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。与其它热探测器相比，热释电器件具有以下优点： ①　具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，远远超过其它热探测器的工作频率。一般热探测器的时间常数典型值在1~0.01s范围内，而热释电器件的有效时间常数可低达10-4 ~ 3×10-5 s； ②　热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*才比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小； ③　热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以不外加接偏置电压； ④　与5.2节讨论的热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小； ⑤ 热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，且制造比较容易。 1. 热释电效应 电介质内部没有自由载流子，没有导电能力。但是，它也是由带电的粒子（价电子和原子核）构成的，在外加电场的情况下，带电粒子也要受到电场力的作用，使其运动发生变化。例如，在如图5-12所示的电介质的上下两侧加上如图所示的电场后，电介质产生极化现象，从电场的加入到电极化状态的建立起来这段时间内电介质内部的电荷适应电场的运动相当于电荷沿电力线方向的运动，也是一种电流称为“位移电流”，该电流在电极化完成即告停止。 铁电体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度的关系如图5-14所示，随着温度的升高，